[논문]겹침이음 길이가 짧은 RC 기둥의 이방향 횡하중 가력 실험

이창석; 박이슬; 한상환

doi:10.5000/eesk.2020.24.1.019

겹침이음 길이가 짧은 RC 기둥의 이방향 횡하중 가력 실험
Bidirectional Lateral Loading of RC Columns with Short Lap Splices 원문보기

한국지진공학회논문집 = Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea, v.24 no.1, 2020년, pp.19 - 27

이창석 (한양대학교 건축공학과) , 박이슬 (한양대학교 건축공학과 대학원) , 한상환 (한양대학교 건축공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Reinforced concrete (RC) buildings built in the 1980s are vulnerable to seismic behavior because they were designed without any consideration of seismic loads. These buildings have widely spaced transverse reinforcements and a short lap splice length of longitudinal reinforcements, which makes them vulnerable to severe damage or even collapse during earthquakes. The purpose of this study is to investigate the impact of bidirectional lateral loads on RC columns with deficient reinforcement details. An experimental test was conducted for two full-scale RC column specimens. The test results of deficient RC columns revealed that bidirectional loading deteriorates the seismic capacity when compared with a column tested unidirectionally. Modeling parameters were extracted from the tested load-displacement response and compared with those proposed in performance-based design standards. The modeling parameters proposed in the standards underestimated the deformation capacity of tested specimens by nearly 50% and overestimated the strength capacity by 15 to 20%.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구는 이방향 횡하중 가력 시 짧은 겹침이음을 갖는 RC 기둥의 하중-변위 응답을 조사하기 위해 실험을 실시하였다. 이 때 겹침이음길이는 KCI가 요구하는 겹침이음길이의 53% 이다.
따라서 이방향 가력 실험을 통해 RC 기둥의 내진성능을 정확히 파악하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 이방향 횡하중 가력시 겹침이음 길이가 짧은 RC기둥의 하중-변위 응답에 미치는 영향을 조사하고자 한다. RC기둥의 이력거동을 비교하기 위해 총 2개의 RC기둥 실험체를 실제 크기로 제작하여 실험을 진행하였으며, 실험 변수는 가력 유형 (일방향 및 이방향 반복가력)이다.

가설 설정

본 연구에서 제작된 실험체는 짧은 겹침이음길이 (ld = 0.53fd-KCI)로 인해 철근에 작용하는 인장응력이 0.53fy (fs = 0.53fy)에 도달했을 때 겹침이음파괴가 발생한다고 가정하고, 모멘트 강도에 도달했을 때의 전단강도 (Vp,0.53fy)를 계산했다.
5 mm (D10)의 띠철근은 450 mm 간격으로 배치했으며, 모든 띠철근은 90° 갈고리를 사용했다. 콘크리트의 공칭압축강도는 21 MPa이며, 철근의 공칭항복강도 (f_y)는 400 MPa로 가정하였다.

제안 방법

KS B 0802 [25]에 따라 종방향 철근 (D25)과 횡보강 철근 (D10)에 대한 인장시험을 진행하였다. Fig.
본 연구에서는 이방향 횡하중 가력시 겹침이음 길이가 짧은 RC기둥의 하중-변위 응답에 미치는 영향을 조사하고자 한다. RC기둥의 이력거동을 비교하기 위해 총 2개의 RC기둥 실험체를 실제 크기로 제작하여 실험을 진행하였으며, 실험 변수는 가력 유형 (일방향 및 이방향 반복가력)이다.
여기서 V_P (= M_n/L)은 실험체가 모멘트 강도 (M_n)에 도달했을 때의 전단력이며, V_n는KCI [23]의 7절에 따라 계산된 전단 강도이다. 기둥의 모멘트 강도 (M_n)는 축하중을 고려한 단면해석 (sectional analyses)을 사용하여 계산하였다. 이때 사용된 콘크리트 압축강도와 철근 항복강도는 시험을 통해 측정된 값을 사용하였다.
다음으로 겹침이음부에 부착된 스트레인게이지 (strain gauge) 값을 바탕으로 부착-미끄러짐 파괴 (Bond-slip failure)를 확인해 보았다. Fig.
11). 다음으로 포락곡선으로부터 실험체의 모델링파라메터를 추출하였다. Fig.
하지만 본 연구에서 제작된 실험체 (U10, B10)의 경우, 축파괴가 발생하기 전에 부착파괴가 발생하여 실험이 종료되었으므로 모델링파라메터 b와 c는 결정할 수 없었다. 따라서 본 연구는 ASCE [31]와 이상화된 뼈대곡선에서 얻은 유효 강성, 최대강도 (V_u ), 모델링파라메터 a를 비교하였으며, 이는 Table 4에 정리되어 있다.
바닥 콘크리트 블록은 고강도 앵커볼트를 사용하여 반력바닥에 고정시켰으며, 실험체의 미끄러짐을 방지하기 위해 콘크리트 블록 양 옆에 스토퍼(stopper)를 설치하였다.
변위비에 따른 실험체의 파괴양상을 조사하기 위해 각 사이클 당 최대 변위에서의 균열을 확인하였다. Fig.
본 연구는 겹침이음 길이가 짧은 RC 기둥의 하중-변위 응답을 조사하기위해 2개의 RC 기둥 실험체를 실물 크기로 제작하였으며 반복 횡하중 가력 실험을 수행하였다.
따라서 구조부재에 이방향 하중이 작용할 경우, 내진 성능평가 요령에서 제시한 모델링파라메터 값이 실제 구조부재의 하중변위 응답을 정확하게 모사하지 못할 수 있다. 본 절에서는 U10과 B10의 실험결과를 바탕으로 모델링파라메터를 계측하고, 이를 ASCE [31]의 7.6.3절에 명시된 모델링파라메터 값과 비교하였다.
실험체 상단에 두개의 엑츄에이터를 x방향과 y방향으로 수평하게 설치하고, 한 개의 유압 잭을 실험체의 상단에 수직으로 설치하여 실험체에 일정한 축하중 (ν = 10%)을 가했다.
추가로, 짧은 겹침이음길이가 실험체의 하중-변위 응답에 미치는 영향을 비교해 보았다. Lynn [11]이 제작한 2CLH18 실험체의 단면크기, 철근 상세는 Table 3에 제시하였으며, 콘크리트 압축강도 (f_ck)와 철근의 항복강도를 제외하면 본 연구의 U10실험체 (Fig.
1에 제시된 콘크리트 블록은 고강도 앵커 볼트를 사용하여 실험체가 바닥에 고정되도록 하였다. 콘크리트 블록의 파괴를 방지하기 위해 콘크리트 블록에 충분한 양의 철근을 배치하였다.

대상 데이터

각 기둥의 높이 (L)은 1800 mm이다. 종방향 철근의 직경은 25.4 mm (D25)이며, 총 8개가 사용되었다. 겹침이음길이 (l_d)는 20d_b이며, 이는 KCI [23]가 요 구하는l_d (= 38d_b)의 53%이다.
콘크리트 압축강도를 측정하기 위해 KS F 2403 [24] 따라 28일 동안 양생 후 직경 100 mm, 높이 200 mm의 원형 공시체 3개를 제작하여 실험하였다. Fig.

이론/모형

가력방법은 FEMA [26]의 2.9.2절을 따라 반복 횡하중으로 가력 하였다. Fig.
실험체의 모델링파라메터를 추출하는 방법은 Ghannoum and Matamoros[33]가 제시한 순서를 따랐다: (1) 전단력 (V)이 포락곡선의 70%에 도달한 지점과 원점을 잇는 할선 (ke )을 생성한다; (2) 이 할선이 최대 강도 (Vu )의 수평선과 교차할 때까지 연장시킨다; (3) 두개의 선이 교차하는 지점의 변위비를 유효 항복비 (θy)로 결정한다; (4) θu의 경우, 실험체의 전단내력이 최대값에 도달한 이후 20%저하한 순간의 변위비로 결정한다.

성능/효과

1) 겹침이음 길이가 짧은 RC 기둥 실험체의 경우, 측정된 V_u는 KCI [23]에 따라 계산된 V_n보다 작았으며 (V_u /V_p=0.65 ~ 0.74), 휨 강도와 전단 강도에 도달하기 전에 겹침이음파괴가 발생했기 때문이다.
2) 짧은 겹침이음을 고려한 휨 강도 (fs=0.53fy )에 해당하는 전단 강도 (Vn-0.35fy )는 측정된 Vu와 거의 동일했다 (Vu /Vp,0.53fs = 1.00 ~ 1.05).
3) 이력곡선 상 이방향 가력 실험체는 일방향 가력 실험체보다 각 사이클에서 가력변위가 더 많았기 때문에 일방향 가력 실험체보다 에너지 소산량이 더 큰 값을 보였다. 하지만 이방향 가력 실험체가 일방향 가력 실험체보다 일찍 파괴 되어 일방향 가력 실험체와 이방향 가력 실험체의 누적 에너지 소산능력은 거의 동일하였다.
4) ASCE [31]를 따라 짧은 겹침이음된 RC 기둥 실험체에 대해 계산된 유 효강성은 계측된 강성보다 평균 27% 낮았다.
5) ASCE [31]의에서 제시한 모델링파라메터 a와 V_u의 경우 이방향 하중에 대한 고려사항이 제시되지 않았기 때문에 실제 이방향 하중하에 실험 된 실험체에 비해 최대 51%의 오차를 보였다.
2(b)는 철근의 응력-변형도 곡선을 나타낸 것이다. D25와 D10의 항복강도 (f_y)는 각각 524 MPa와 434 MPa로, 공칭항복강도 (=400 MPa)를 초과하는 것으로 나타났다.
Fig. 9에서 확인할 수 있듯, U10과 B10 모두 철근의 부착강도 u가 uy에 도달하기 전에 두 실험체의 최대 부착강도 (umax )는 모두 변위비 θ=1.09%에서 관측되었으며, 이는 실험체가 최대내력 도달할 때의 변위비와 일치하였다 (Fig. 7).
겹침이음 길이가 짧고, 이방향 하중을 받은 실험체의 경우, ASCE [31]의 모델링파라메터가 실제에 비해 강성을 25% 과도하게, 그리고 소성변위비 a를 47% 보수적으로 예측할 수 있음을 확인하였다. 겹침이음 길이가 짧고, 이방향 하중을 받은 실험체의 하중-변위 응답 자료가 누적되면 기존 내진 성능평가 요령에서 제시한 모델링파라메터 값의 정확도를 향상시킬 수 있을 것이다.
또한 실험체 B10의 Vu는 실험체 U10보다 94% 낮았으며, 실험체 B10의 θf는 실험체 U10보다 29% 낮았다.
ASCE [31]에 따라 계산한 a 값은 계측된 값보다 평균 51% 낮았다. 또한 실험체 U10의 경우 ASCE [31]를 사용하여 계산된 최대 강도 (V_u )는 계측된 V_u보다 8% 낮았으며, 실험체 B10의 계산된 V_u는 계측된 V_u보다 1% 낮은 것으로 확인되었다. ASCE [31]의 모델링파라메터와 계측된 모델링파라메터의 차이는 ASCE [31]에 명시된 모델링파라메터가 가력유형에 대한 고려 없이 제안하고 있기 때문이다.
2(a)는 콘크리트 압축강도 시험 결과의 평균값으로 응력-변형도 곡선을 나타낸 것이다. 콘크리트 압축강도는 25 MPa로 측정되었으며, 공칭압축강도 (=21 MPa)를 초과하는 것으로 나타났다.

후속연구

겹침이음 길이가 짧고, 이방향 하중을 받은 실험체의 경우, ASCE [31]의 모델링파라메터가 실제에 비해 강성을 25% 과도하게, 그리고 소성변위비 a를 47% 보수적으로 예측할 수 있음을 확인하였다. 겹침이음 길이가 짧고, 이방향 하중을 받은 실험체의 하중-변위 응답 자료가 누적되면 기존 내진 성능평가 요령에서 제시한 모델링파라메터 값의 정확도를 향상시킬 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	1980년대 이전에 지어진 철근콘크리트 (RC) 건물의 특징은?	1980년대 이전에 지어진 철근콘크리트 (RC) 건물 (이하, 비연성 RC 건물)은 중력하중만 고려하여 설계되었으며 현행 내진설계 기준에 맞지 않는 철근 상세를 갖고있다 [1-3]. 특히 비연성 RC건물의 기둥은 내진 거동에 취약한 문제점을 가지고 있다 [4-8]: (1) 횡보강근의 넓은 간격, (2) 횡보강근의 90°갈고리, (3) 잠재적 소성 힌지 영역에 위치한 겹침이음, (4) 종방향 철근의 짧은 이음 길이 등이 이에 해당한다.
	비연성 RC건물의 기둥이 가지는 취약점은?	1980년대 이전에 지어진 철근콘크리트 (RC) 건물 (이하, 비연성 RC 건물)은 중력하중만 고려하여 설계되었으며 현행 내진설계 기준에 맞지 않는 철근 상세를 갖고있다 [1-3]. 특히 비연성 RC건물의 기둥은 내진 거동에 취약한 문제점을 가지고 있다 [4-8]: (1) 횡보강근의 넓은 간격, (2) 횡보강근의 90°갈고리, (3) 잠재적 소성 힌지 영역에 위치한 겹침이음, (4) 종방향 철근의 짧은 이음 길이 등이 이에 해당한다.
	비연성 RC건물의 기둥이 갖는 내진 거동에 취약한 문제점으로 지진 발생시 발생할 수 있는 영향은?	따라서 지진 발생 시 철근의 짧은 겹침이음을 갖는 RC 기둥은 종방향 철근의 조기항복으로 인해 전단 및 휨 강도까지 도달 하기 전에 겹침이음 파괴 가 발생할 수 있다 [9, 10].

참고문헌 (34)

Ghosh KK, Sheikh SA. Seismic upgrade with carbon fiberreinforced polymer of columns containing lap-spliced reinforcing bars. ACI Struct J. 2007;104:227-236.

상세보기
Moon KH, Jeon YR, Lee CS, Han SW. Evaluation of Performance of Korean Existing School Buildings with Masonry Infilled Walls Against Earthquakes. Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea. 2012 Dec;16(6):37-46.

원문보기 상세보기
Kim KM, Lee SH, Oh SH. Seismic Performance Evaluation of Existing Low-rise RC Frames with Non-seismic Detail. Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea. 2013 May;17(6):97-105.

원문보기 상세보기
Di Ludovico M, Verderame GM, Prota A, Manfredi G, Cosenza E. Cyclic behavior of nonconforming full-scale RC columns. J Struct Eng. 2014;140:04013107.

상세보기
Valluvan R, Kreger ME, Jirsa JO. Strengthening of column splices for seismic retrofit of nonductile reinforced concrete frames. ACI Struct J. 1993;90:432-440.
Lynn AC, Moehle JP, Mahin SA, Holmes WT. Seismic evaluation of existing reinforced concrete building columns. Earthq Spectra. 1996;12:715-739.

상세보기
Melek M, Wallace JW. Cyclic behavior of columns with short lap splices. ACI Struct J. 2004;101:802-811.

상세보기
Kim DH, Kim JC, Choi KK. Experimental Study for Investigating Seismic Performances of RC Columns with Non-Seismic Details. Journal of the Architectural Institute of Korea Structure & Construction. 2016;32(1):35-44.
Cho J-Y, Pincheira JA. Nonlinear modeling of RC columns with short lap splices. 13th World Conference on Earthquake Engineering. BC: Vancouver. c2004.
Cho JY, Pincheira JA. Inelastic analysis of reinforced concrete columns with short lap splices subjected to reversed cyclic loads. ACI Struct J. 2006;103:280-290.

상세보기
Lynn AC. Seismic evaluation of existing reinforced concrete building columns. Berkeley: University of California. c2001.
Aboutaha RS, Engelhardt MD, Jirsa JO, Kreger ME. Rehabilitation of shear critical concrete columns by use of rectangular steel jackets. ACI Struct J. 1999;96:68-78.

상세보기
Harries KA, Ricles JM, Pessiki S, Sause R. Seismic retrofit of lap splices in nonductile columns using CFRP jackets. ACI Struct J. 2006;103:874-884.
Bousias SN, Verzeletti G, Fardis MN, Gutierrez E. Load-path effects in column biaxial bending with axial force. J Eng Mech. 1995;121:596-605.

상세보기
Qiu F, Li W, Pan P, Qian J. Experimental tests on reinforced concrete columns under biaxial quasi-static loading. Eng Struct. 2002;24:419-428.

상세보기
Del Zoppo M, Di Ludovico M, Prota A. Deformation capacity of non-conforming r.c. columns under compressive axial load and biaxial bending. Eng Struct. 2016;124:480-493.

상세보기
Han SW, Kim T-O, Kim DH, Baek S-J. Seismic collapse performance of special moment steel frames with torsional irregularities. Eng Struct. 2017;141:482-494.

상세보기
Park CK, Lee BG, Song HW, Chung YS. Experimental Behavior of Reinforced Concrete Column-Bent Piers under Bidrectional Repeated Loading. Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea. 2005;Feb;9(1):17-24.
Takizawa H, Aoyama H. Biaxial effects in modelling earthquake response of R/C structures. Earthq Eng Struct D .1976;4:523-552.

상세보기
Di Ludovico M, Verderame GM, Prota A, Manfredi G, Cosenza E. Experimental behavior of nonconforming RC columns with plain bars under constant axial load and biaxial bending. J Struct Eng. 2013;139:897-914.

상세보기
Kawashima KH, Ogimoto R, Hayakawa G. Effect of bilateral excitation on the seismic performance of reinforced concrete bridge columns. Proceedings of the 8th US National Conference on Earthquake Engineering, San Francisco, CA. c2006.
Rodrigues H. Biaxial seismic behaviour of reinforced concrete columns. Aveiro, Portugal: Departamento de Engenharia Civil, University of Aveiro. c2012.
Korea Concrete Institute. Concrete design code of Korea (KCI 2012). Seoul, Korea. c2012.
Korea Standards Association. KS F 2403. Standard Test Methods for Making and Curing Concrete Specimens. Republic of Korea. 2014.
Korea Standards Association. KS B 0802. Method of Tensile Test for Metallic Materials. Republic of Korea. 2018.
FEMA. Interim testing protocols for determining the seismic performance characteristics of structural and nonstructural components. Washington, DC: Federal Emergency Management Agency. c2007.
Rodrigues H, Arede A, Varum H, Costa AG. Experimental evaluation of rectangular reinforced concrete column behaviour under biaxial cyclic loading. Earthq Eng Struct D. 2013;42:239-259.

상세보기
Tsuno K, Park R. Experimental study of reinforced concrete bridge piers subjected to bi-directional quasi-static loading. J Struct Mech Earthquake Eng. 2004;21:11s-26s.

상세보기
Leon R, Jirsa JO. Bidirectional loading of R.C. Beam-column joints. Earthq Spectra. 1986;2:537-564.

상세보기
Rodrigues H, Varum H, Arede A, Costa A. A comparative analysis of energy dissipation and equivalent viscous damping of RC columns subjected to uniaxial and biaxial loading. Eng Struct. 2012;35:149-164.

상세보기
ASCE 41-17. Seismic Evaluation and Retrofit of Existing Buildings. Reston, VA: American Society of Civil Engineers. c2017.
Korea Infrastructure Safety & Technology Corporation. Evaluation Method of Seismic Performance on Existing Facilities (Buildings). RD-13-R3-058. Korea Infrastructure Safety & Technology Corporation. c2013.
Ghannoum WM, Matamoros AB. Nonlinear modeling parameters and acceptance criteria for concrete columns 297 ACI Special Publication. 2014. p. 1-24.
Sezen H, Moehle JP. Shear strength model for lightly reinforced concrete columns. J Struct Eng 2004;130:1692-1703.

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증